精密單點(diǎn)定位技術(shù)在船載重力測(cè)量中的應(yīng)用

晏新村,歐陽(yáng)永忠,林建炬,周萬(wàn)里,李冬慶,劉晟

(1.91650部隊(duì),廣東 廣州 10000;2.海軍海洋測(cè)繪研究所,天津 00061)

精密單點(diǎn)定位技術(shù)在船載重力測(cè)量中的應(yīng)用

晏新村1,歐陽(yáng)永忠2,林建炬1,周萬(wàn)里1,李冬慶1,劉晟1

(1.91650部隊(duì),廣東 廣州 10000;2.海軍海洋測(cè)繪研究所,天津 00061)

針對(duì)海洋某些測(cè)區(qū)無(wú)法布設(shè)基準(zhǔn)站,無(wú)法使用差分定位方式進(jìn)行定位的問(wèn)題,將精密單點(diǎn)定位技術(shù)應(yīng)用于船載重力測(cè)量,通過(guò)比對(duì)基于精密單點(diǎn)定位測(cè)量模式和傳統(tǒng)單點(diǎn)定位測(cè)量模式解算的交叉點(diǎn)不符值結(jié)果,驗(yàn)證了精密單點(diǎn)定位技術(shù)在船載重力測(cè)量中應(yīng)用的可行性,解決了遠(yuǎn)海船載重力測(cè)量采用傳統(tǒng)單點(diǎn)定位精度較低的問(wèn)題。

精密單點(diǎn)定位;重力測(cè)量;速度;加速度;交叉點(diǎn)不符值

0 引 言

海洋重力測(cè)量最常用的手段是將重力儀安裝在海面艦船內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè),對(duì)測(cè)量剖面提供連續(xù)的觀測(cè)值。在船載重力測(cè)量中高精度確定艦船的位置、速度和加速度是船載重力測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。位置、速度信息是計(jì)算各項(xiàng)重力改正值必不可少的信息,例如厄特弗斯改正、水平加速度改正、空間改正等;艦船垂直加速度的精確確定是分離垂直擾動(dòng)加速度和重力信號(hào)的關(guān)鍵技術(shù),艦船的垂直擾動(dòng)加速度精度影響著重力異常的精度[1-3]。

長(zhǎng)期以來(lái),差分GPS技術(shù)是精確確定船載重力測(cè)量中艦船的位置、速度和加速度的有效手段,它的基本原理是在艦船上安裝動(dòng)態(tài)接收機(jī),在沿岸或測(cè)區(qū)島礁布設(shè)基準(zhǔn)站,同時(shí)進(jìn)行觀測(cè),用差分的方法處理數(shù)據(jù),得到艦船的位置、速度和加速度。隨著海洋重力測(cè)量作業(yè)范圍的不斷擴(kuò)大,某些測(cè)區(qū)無(wú)法布設(shè)基準(zhǔn)站,這給船載重力測(cè)量技術(shù)提出了新的問(wèn)題。

近年來(lái),隨著精密單點(diǎn)定位技術(shù)的發(fā)展,它在各種控制測(cè)量、地形測(cè)量、工程測(cè)量中已得到了廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的定位方法相比有著顯著的優(yōu)點(diǎn),它具有厘米級(jí)的高定位精度;由于是單機(jī)獨(dú)立作業(yè),如果不考慮其它因素,一臺(tái)儀器可以完成整個(gè)外業(yè)控制工作,提高了外業(yè)的工作效率以及設(shè)備的利用率;與差分定位作業(yè)方式相比,它不需要基準(zhǔn)

站,不受作業(yè)距離的限制。此外,它還具有數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單、獲得的點(diǎn)位結(jié)果間無(wú)誤差累積、點(diǎn)位精度均勻等優(yōu)點(diǎn),特別適用于艱苦環(huán)境下的船載重力測(cè)量[4-6]。

1 精密單點(diǎn)定位基本原理

精密單點(diǎn)定位(PPP)技術(shù)是1997年由美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的研究人員Zumberge等提出的,它是采用事先確定的高精度衛(wèi)星軌道和鐘差以及雙頻載波相位和偽距觀測(cè)量進(jìn)行單點(diǎn)定位的方法。采用精密單點(diǎn)定位技術(shù),單臺(tái)雙頻接收機(jī)可以在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度單點(diǎn)靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位。隨著衛(wèi)星軌道和鐘差的精度不斷提高,其靜態(tài)定位精度可達(dá)到mm-cm級(jí),動(dòng)態(tài)定位精度可達(dá)到cm-dm級(jí)[7-9]。

1.1數(shù)學(xué)模型

在精密單點(diǎn)定位中,使用精密星歷與精密鐘差固定衛(wèi)星軌道誤差及衛(wèi)星鐘差后,采用無(wú)電離層組合觀測(cè)值組成觀測(cè)方程可寫為以下形式:

fP=ρ+c·dt+M·zpd+εP-lP=0，

fΦ=ρ+c·dt+M·zpd+amb+εΦ-lΦ

=0 ，

(1)

式中:lP為P1和P2的無(wú)電離層偽距組合觀測(cè)值;Φ為L(zhǎng)1和L2的無(wú)電離層相位組合觀測(cè)值(距離);t為地面GPS接收機(jī)鐘差;C為真空中的光速;amb為無(wú)電離層組合相位觀測(cè)值(距離)的模糊度(不再具有整數(shù)特性);M為投影函數(shù),zpd為天頂方向?qū)α鲗友舆t改正參數(shù);εP、εΦ分別為兩種組合觀測(cè)值的觀測(cè)噪聲和多路徑誤差;ρ為測(cè)站(x,y,z)和GPS衛(wèi)星(Xs,Ys,Zs)間的幾何距離:

(2)

觀測(cè)誤差方程可寫為

Vi=Ai·X+Wi,

(3)

其中,

式中:Ai為系數(shù)矩陣;X為待估參數(shù),其中包括測(cè)站坐標(biāo)、接收機(jī)鐘差、無(wú)電離層組合模糊度及對(duì)流層天頂延遲改正參數(shù)。

利用上述觀測(cè)模型,即可采用最小二乘遞推法進(jìn)行非差精密單點(diǎn)定位解算。

1.2誤差處理

精密單點(diǎn)定位中使用非差觀測(cè)值,沒(méi)有組成差分觀測(cè)值。所以精密單點(diǎn)定位中的所有誤差項(xiàng)都必須考慮。主要通過(guò)以下兩種途徑來(lái)解決。

1) 對(duì)于能精確模型化的誤差采用模型改正,比如衛(wèi)星天線相位中心的改正,各種潮汐的影響,相對(duì)論效應(yīng)等都可以采用現(xiàn)有的模型精確改正。

2) 對(duì)于不能精確模型化的誤差加參數(shù)進(jìn)行估計(jì)或使用組合觀測(cè)值。比如對(duì)流層天頂濕延遲,目前還難以用模型精確模擬,則加參數(shù)對(duì)其進(jìn)行估計(jì);而電離層延遲誤差可采用雙頻組合觀測(cè)值來(lái)消除低階項(xiàng)。

2 精密單點(diǎn)速度、加速度測(cè)量方法

2.1精密單點(diǎn)速度、加速度測(cè)量方法的選取

精密單點(diǎn)確定速度有多種方法,包括位置一次求導(dǎo)、多普勒觀測(cè)值求解速度、載波相位中心差分等。精密單點(diǎn)加速度測(cè)量方法也有多種,其中包括位置二次求導(dǎo)、速度一次求導(dǎo)、直接用相位加速度求解速度等。通過(guò)文獻(xiàn)[10]和[11],從數(shù)據(jù)處理難易程度、速度和加速度精度、采樣間隔以及實(shí)時(shí)性比較分析,并結(jié)合船載重力測(cè)量實(shí)際,最終選取位置中心差分法確定艦船的速度和加速度。

2.2位置差分求解速度

利用歷元t-h和t+h的位置向量r1和r3進(jìn)行差分,求得歷元t的艦船速度為

(4)

式中,h為采樣間隔。由式(4)所確定的速度,是艦船在時(shí)間2h內(nèi)的平均速度。如果采樣間隔h趨近于0,則該平均速度即為瞬時(shí)速度。

2.3位置差分求解加速度

利用位置差分求得的歷元t-h和t+h的速度向量r1和r3再進(jìn)行一次差分,求得歷元t的艦船加速度為

(5)

式中,h為采樣間隔。由式(5)所確定的加速度,是艦船在時(shí)間2h內(nèi)的平均加速度。如果采樣間隔h趨近于0,則該平均加速度即為瞬時(shí)加速度。

3 實(shí)驗(yàn)計(jì)算分析

3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了分析比較精密單點(diǎn)定位與傳統(tǒng)單點(diǎn)定位計(jì)算的重力結(jié)果,利用某次遠(yuǎn)海船載重力測(cè)量實(shí)驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,測(cè)量過(guò)程中使用一臺(tái)GPS接收機(jī)安放在船上,船速保持在19 km/h左右勻速航行。輪船的航行軌跡和航速變化分別如圖1和圖2所示。

圖1 船運(yùn)行軌跡

圖2 船運(yùn)行過(guò)程航速變化

3.2結(jié)果分析

由于實(shí)驗(yàn)沒(méi)有設(shè)置基準(zhǔn)站,無(wú)法用真值分析精密單點(diǎn)定位解算的位置、速度精度,只能通過(guò)精密單點(diǎn)定位技術(shù)解算的平差前重力交叉點(diǎn)不符值結(jié)果與傳統(tǒng)單點(diǎn)定位技術(shù)解算的平差前重力交叉點(diǎn)不符值結(jié)果進(jìn)行比較,得到的內(nèi)符合精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

由于測(cè)區(qū)擁有較高精度的海洋重力數(shù)據(jù),以此為參考,利用測(cè)得的重力數(shù)據(jù)與原有的較高精度重力數(shù)據(jù)比較,可以估算船載重力測(cè)量的外符合精度如表2所示。

表1 重力交叉點(diǎn)不符值統(tǒng)計(jì)結(jié)果(單位: mGal)

表2 外符合精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果(單位:mGal)

由表1和表2可知,基于精密單點(diǎn)定位技術(shù)解算的重力內(nèi)符合精度和外符合精度與基于傳統(tǒng)單點(diǎn)定位技術(shù)解算的重力交叉點(diǎn)不符值結(jié)果相比精度更高。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)精密單點(diǎn)定位技術(shù)在船載重力測(cè)量中的應(yīng)用研究,根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)基于精密單點(diǎn)定位技術(shù)計(jì)算的重力交叉點(diǎn)不符值與基于傳統(tǒng)單點(diǎn)定位計(jì)算的重力交叉點(diǎn)不符值進(jìn)行比較分析,可知基于精密單點(diǎn)定位解算的重力交叉點(diǎn)不符值結(jié)果比基于傳統(tǒng)單點(diǎn)定位解算的重力交叉點(diǎn)不符值結(jié)果更好,這是因?yàn)榫軉吸c(diǎn)定位解算的位置、速度等信息的精度比傳統(tǒng)單點(diǎn)定位高,這些信息影響著船載重力的計(jì)算結(jié)果。因此精密單點(diǎn)定位解決了某些海域無(wú)法使用差分定位方式進(jìn)行定位而采用傳統(tǒng)單點(diǎn)定位精度低的問(wèn)題。當(dāng)然,由于精密單點(diǎn)定位自身的局限性,它在實(shí)際測(cè)量中的實(shí)時(shí)性問(wèn)題還需進(jìn)一步研究解決。

總之,隨著精密單點(diǎn)定位技術(shù)的深入研究與發(fā)展,它可以取代傳統(tǒng)單點(diǎn)定位和差分定位成為船載重力測(cè)量的主要定位方式,促進(jìn)海洋重力測(cè)量的不斷發(fā)展。

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TheApplicationofPrecisePointPositioningTechnologyinShip-BorneGravityMeasurements

YANXincun1,OUYANGYongzhong2,LINJianju1,ZHOUWanli1,LIDongqing1,LIUSheng1

(1.91650Troops,Guangzhou510000,China;2.NavalInstituteofHydrographicSurveyingandCharting,Tianjin300061,China)

Some measurements of the ocean can not be laid the base station can not use the DGPS positioning proposed ship loading capacity measurements, The precise point positioning technology is applied to the ship-borne gravimetry. The practicability of using the precise point positioning technology in ship-borne gravimetric survey is confirmed by comparing the calculation results of intersection discrepancy from the precise point positioning measurement mode and the traditional single-point positioning measurement mode, and the problem of the low accuracy of traditional single-point positioning in open-sea ship-borne gravimetric survey is solved.

Precise point positioning; gravity measurements; velocity; acceleration; crossover differences

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.04.018

P228.4

A

1008-9268(2017)04-0102-04

2017-04-13

聯(lián)系人: 晏新村E-mail:yxcfh101@163.com

晏新村(1986-),男,碩士,助理工程師,研究方向?yàn)榫軉吸c(diǎn)定位及其應(yīng)用。

歐陽(yáng)永忠(1969-),男,博士,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)楹Ｑ鬁y(cè)量數(shù)據(jù)處理技術(shù)。

林建炬(1981-),男,工程師,研究方向?yàn)檠匕兜匦螠y(cè)量及其數(shù)據(jù)處理。